JP5138144B2 - System based on a bistable microelectromechanical system, its operating method and its manufacturing method - Google Patents

System based on a bistable microelectromechanical system, its operating method and its manufacturing method Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく構造、および少なくとも１個の双安定（bistable）構造を含む微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムに関する。本発明は、また、このような構造およびシステムの製造方法と、微小電子機械システムに基づくシステムの作動方法と、に関する。
【０００２】
【従来の技術】
双安定梁については、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムでの用途が知られている。このような双安定梁は、たとえば、デジタルデータ記憶装置、電子式スイッチング、および光学式スイッチングなどに適用されている。
【０００３】
たとえば、可同調マイクロメカニカル双安定システムが、サイフ（Ｍ．Ｔ．Ａ．Ｓａｉｆ）によって、２０００年６月発行の微小電子機械システム刊行誌第９巻、第２号、１５７〜１７０頁の「可同調双安定ＭＥＭＳ理論と実験（“Ｏｎ ａ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｂｉｓｔａｂｌｅ ＭＥＭＳ − Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｖｏｌ．９， Ｎｏ．２，ｐｐ．１５７−１７０，Ｊｕｎｅ ２０００）、非特許文献１」に記載されている。この双安定システムは、アクチュエータに取り付けた細長いマイクロメカニカル梁で構成される。梁は、製造途中に顕現する横力、および残留応力にさらされる。アクチュエータが梁の軸方向に圧縮力を生成するため、梁は横方向に座屈して、２つの平衡状態の一方の状態に至る。
【０００４】
周知の梁構造の別の例としては、バンボ（Ｖａｎｇｂｏ）他による説明が、１９９８年刊行のマイクロメカニカル、マイクロエンジニアリング８号、２９〜３２頁、「横方向対称双安定座屈梁（“Ａ Ｌａｔｅｒａｌ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｂｕｃｋｌｅｄ ｂｅａｍ” Ｊ． Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ． Ｍｉｃｒｅｎｇ．，８（１９９８））、非特許文献２」に記載されている。その記載にあるように、横方向対称双安定梁は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく装置にスナップ止めされ、ばね力により定位置に保持される。梁構造は解放型の直立した梁を含み、該梁は、引張り応力を誘導するように酸化処理されているか、あるいは梁上に定着された圧縮被膜を備えている。
【０００５】
クエンツァー（Ｑｕｅｎｚｅｒ）他に付与された米国特許第６，１６８，３９５号（特許文献１）には、空圧継手または水圧継手を用いた双安定静電アクチュエータが開示されている。この双安定アクチュエータは、封入電極によって駆動される座屈薄膜部を含む。薄膜は、１つの薄膜を下部に引くと、別の薄膜が押し上げられるというように、反作用で動作する。双安定アクチュエータは、特に、マイクロバルブへの適用を目的として設計されたもので、湾曲形状の電極を使用する。
【０００６】
ヒチワ（Ｈｉｃｈｗａ）他に付与された米国特許第６，３０３，８８５号（特許文献２）には、微細機械加工された双安定の電子機械式スイッチが記載されている。この双安定スイッチに含まれるスイッチ素子は、スイッチ本体部の間で複数のスプリングアームによって吊り下げられている。スプリングアームは、中央梁の中空本体部の壁に取り付けられており、該スプリングアームと中空の梁の壁は、アクチュエータの原動力に応答して安定状態の間で変形する。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６，１６８，３９５号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，３０３，８８５号明細書
【非特許文献１】
サイフ、“Ｏｎ ａ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｂｉｓｔａｂｌｅ ＭＥＭＳ− Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ”， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｖｏｌ．９， Ｎｏ．２，ｐｐ．１５７−１７０，Ｊｕｎｅ ２０００
【非特許文献２】
バンボ他、“Ａ ｌａｔｅｒａｌ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｂｕｃｋｌｅｄ ｂｅａｍ” Ｊ． Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ． Ｍｉｃｒｅｎｇ．，８（１９９８），ｐｐ．２９−３２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、周知の双安定梁には、組み込み応力、印加圧縮力、または追加のばねを形成する中空梁部のいずれかが必要になる。しかしながら、印加圧縮力のためのアクチュエータを追加すると、システムの設計および製造が複雑になる。また、梁に組み込み応力を作成すると、組み込み応力の制御が困難であるために、製造が困難なものになる。更に、中空梁部を追加すると、設計および製造がますます複雑になる。したがって、本発明の目的は、従来の双安定梁に関する前述した問題点および他の障害を排除することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシステムおよび方法は、微細機械加工された双安定梁であって、該梁がほとんど応力を受けない第１安定状態を有する双安定梁を提供する。
【００１０】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの設計における柔軟性を改善する。
【００１１】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの設計における複雑さを低減する。
【００１２】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの製造性を改善する。
【００１３】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの大きさおよび重さを削減する。
【００１４】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムの製造コストを削減する。
【００１５】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、性能が改善された双安定作動を提供する。
【００１６】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、ロバスト性と信頼性の少なくとも一方が改善された双安定作動を提供する。
【００１７】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、効率が改善された双安定作動を提供する。
【００１８】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、面外の剛性が向上した双安定梁を提供する。
【００１９】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、非接触状態と定常状態の少なくとも一方の状態における双安定梁の非接触作動を提供する。
【００２０】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムを使用したスイッチングを提供する。
【００２１】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定作動を用いた導波管スイッチを提供する。
【００２２】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、双安定システムを用いた減衰を提供する。
【００２３】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、第１安定状態にある双安定梁の第１位置の制御を改善する。
【００２４】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、第２安定状態にある双安定梁の第２位置の制御を改善する。
【００２５】
本発明に係るシステムおよび方法は、また別に、ストッパを含む双安定システムを提供する。このストッパは、双安定梁が第１安定状態と第２安定状態の間の第２安定状態に近い状態にある時に双安定梁と接触する。
【００２６】
本発明のシステムおよび方法に係る各種実施形態の例において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁を含む。各種実施形態において、所定の非線形形状は単純曲線を含む。他の各種実施形態において、所定の非線形形状は、複合曲線、たとえば、ほぼ同一の４個の円弧など、を含む。更に別の実施形態において、所定の非線形形状は一連の線分を含む。
【００２７】
例示した各種実施形態において、梁は、少なくとも１個の固定境界条件を有する。別の各種実施形態において、梁は、少なくとも１個のベアリング境界条件を有する。別の各種実施形態において、梁は、少なくとも１個のばね境界条件を有する。梁は、また、異なる境界条件を組み合わせた条件を有していてもよい。
【００２８】
例示した各種実施形態において、本システムは、更に、梁の第１安定状態と第２安定状態の間に配設されたストッパを備える。このストッパは、梁が第１安定状態から移動する時に該ストッパにバイアスされるように、梁の第２安定状態近くに配置されていてもよい。
【００２９】
本発明のシステムおよび方法に係る各種実施形態の例において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁と、第１安定状態と第２安定状態の間で該梁を動かすために設けられたアクチュエータと、梁の第１安定状態と第２安定状態の間の移動に従って第１位置と第２位置の間を移動する可動素子と、を含む。アクチュエータは、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータのいずれであってもよい。例示した各種実施形態において、該アクチュエータは熱衝撃アクチュエータを含み、別の各種実施形態では、該アクチュエータはジッパ式静電アクチュエータ（zippering electrostatic actuator）を含む。
【００３０】
本発明のシステムおよび方法についての各種実施形態の例では、第１力が第１方向に印加されると、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態を有する梁が、第１安定状態から第２安定状態に移行する。第１力の印加は、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータのいずれか１つを使用した力の印加として構成してよい。例示した各種実施形態では、第１力の印加を、熱衝撃アクチュエータを使用した力の印加として構成してよい。別の各種実施形態では、第１力の印加を、ジッパ式静電アクチュエータを使用した力の印加として構成してよい。
【００３１】
例示した各種実施形態では、第２力が第２方向に印加されると、梁が第２安定状態から第１安定状態に移行する。第２力の印加は、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータのいずれか１つを使用した力の印加として構成してよい。別の各種実施形態では、第２力の印加を、熱衝撃アクチュエータまたはジッパ式静電アクチュエータを使用した力の印加として構成してよい。
【００３２】
本発明のシステムおよび方法に係る各種実施形態の例において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、梁の第１安定状態に対応する所定の非線形形状を有する梁をリソグラフィにより規定することで製造する。例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、特定のジオメトリ（geometry）になるように梁をリソグラフィにより規定することで梁の第２安定状態を決定するステップを含む。各種実施形態において、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップは、特定の長さ、特定の幅、特定の高さ、および特定の曲率の少なくとも１つを有するように、梁をリソグラフィにより規定するステップを含む。各種実施形態では、梁の高さが梁の幅より大きくなるように梁の高さを定義して、潜在的な梁の面外の座屈を削減する。
【００３３】
例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定することで、第１安定状態と第２安定状態との間における梁の送り距離を決定するステップを含む。各種実施形態では、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップは、特定の長さ、特定の幅、特定の高さ、および特定の曲率の少なくとも１つを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップを含む。
【００３４】
例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定することで、第１安定状態と第２安定状態との間における梁の力曲線を決定するステップを含む。各種実施形態において、特定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップは、特定の長さ、特定の幅、特定の高さ、および特定の曲率の少なくとも１つを有するように梁をリソグラフィにより規定するステップを含む。
【００３５】
例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータの少なくとも１個を梁に隣接して形成するステップを含む。各種実施形態では、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータの少なくとも１個を梁に隣接して形成するステップは、熱衝撃アクチュエータを形成するステップを含む。他の各種実施形態では、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、および磁気アクチュエータの少なくとも１個を梁に隣接して形成するステップは、ジッパ式静電アクチュエータを形成するステップを含む。
【００３６】
例示した各種実施形態において、本製造方法は、更に、少なくとも１個の梁の固定境界条件を形成するステップを含む。別の各種実施形態において、本製造方法は、更に、少なくとも１個の梁のベアリング境界条件を形成するステップを含む。他の各種実施形態において、本製造方法は、更に、少なくとも１個の梁のばね境界条件を形成するステップを含む。本製造方法は、更に、異なる境界条件を組み合わせた梁の境界条件を形成するステップを含んでもよい。
【００３７】
例示した各種実施形態において、梁をリソグラフィ技術的に定義する製造ステップは、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのデバイス層に梁をパターニングするステップを含む。本製造方法は、更に、デバイス層と基板の間の絶縁層を部分的にエッチングして梁を解放すると共に、絶縁層を部分的に残して梁を基板にアンカ止めするステップを含む。
【００３８】
本発明のシステムおよび方法に係る各種実施形態の例において、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、入力部と、出力部と、入出力部間を繋ぐ可動素子と、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁と、を含む。例示した各種実施形態において、本システムは、光学式入出力部を備えた光学システムである。例示した別の実施形態において、本システムは、電子式入出力部を備えた電子システムである。更に別の実施形態において、本システムは、流体入出力部を備えた流体システムである。例示した各種実施形態において、本システムは、データ格納システムを含む。例示した別の実施形態において、本システムは、スイッチングシステムを含む。
【００３９】
前述した本発明の特性および利点は、本発明に係るシステムおよび方法の各種実施形態についての下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明のシステムおよび方法についての各種実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００４１】
本発明について、光学式スイッチングシステムを参照しながら説明するが、本発明はこのようなシステムに限定されないことは理解されるであろう。双安定状態を利用した微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、本発明の対象となる。下記の説明は、本発明の特徴を示すためのものであり、開示した特定の実施形態に本発明を限定するものではない。
【００４２】
本発明に係るシステムおよび方法は、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムを提供する。本発明の各種実施形態において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁を含む。本発明に係る双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、設計における柔軟性の向上と、製造性の改善と、サイズおよび重量の削減と、製造コストの削減を提供すると共に、性能が改善された双安定作動と効率が改善された双安定作動の少なくとも一方を提供する。
【００４３】
例示した各種実施形態において、所定の非線形形状は単純曲線を含む。別の各種実施形態において、所定の非線形形状は複合曲線を含む。複合曲線は、たとえば、ほぼ同一の４つの円弧を含んでもよい。更に別の実施形態において、所定の非線形形状は一連の線分を含む。所定の非線形形状は、梁の第１安定状態を規定する。
【００４４】
例示した各種実施形態において、双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、梁の第１安定状態に対応する所定の非線形形状になるように梁をリソグラフィにより規定するステップを含む。例示した各種実施形態において、梁の第２安定状態は、所定のジオメトリ、たとえば、所定の長さ、幅、曲率の少なくとも１つを有するように梁をリソグラフィにより規定することで求める。更に、特定のジオメトリになるように梁をリソグラフィにより規定することで、梁の別の特性を決定してもよい。リソグラフィは、応力を発生させない、正確かつ制御可能な製造工程を提供する。
【００４５】
例示した各種実施形態において、梁をリソグラフィにより規定する方法は、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのデバイス層に梁をパターニングするステップを含む。本製造方法は、更に、デバイス層と基板の間の絶縁層を部分的にエッチングして、梁を解放すると共に、絶縁層の一部を残して、基板に梁をアンカ止めするステップを含む。デバイス層は、ほとんど応力を受けない層であるため、梁内から不要な応力を排除できる。
【００４６】
本発明に係るシステムおよび方法は、また、双安定作動を提供する。例示した各種実施形態において、第１力が第１方向に印加されると、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態を有する梁が、第１安定状態から第２安定状態に移行する。例示した各種実施形態において、第２力が第２方向に印加されると、梁は第２安定状態から第１安定状態に移行する。
【００４７】
本発明に係る梁と双安定作動の少なくとも一方は、各種の用途に適用してもよく、また、大規模システムの一部を形成してもよい。たとえば、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、入力部と、出力部と、入出力部間を繋ぐ可動素子と、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁と、を含む。更に、本システムは光学システム、電子システム、または流体システムのいずれであってもよい。また、本システムは、データ格納システムまたはスイッチングシステムであってもよい。
【００４８】
例示した本発明の各種実施形態によれば、微細機械加工技術および他のマイクロメカニカルシステムに基づく製造技術は、微細機械加工された梁であって、該梁がほとんど応力を受けず所定の非線形形状を呈する第１安定状態と、第２安定状態と、を有する梁を加工するのに使用される。このような加工技術は、他の可能な技術と比べて比較的進んだもので、より信頼性の高い結果とより高度な柔軟性をもたらす。例示した各種実施形態では、表面微細加工技法、たとえば、前述したリソグラフィなどを利用して双安定梁を製造する。
【００４９】
本発明の第１実施形態に係る微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステム１００の概略図を図１に示す。本システム１００は、図に第１安定状態で示した、１組の双安定梁１１０を含む。１組の双安定梁を図示してあるが、単一の双安定梁を用いてもよいことは理解できるであろう。２個以上の双安定梁を採用すると、梁が協調して機能するため、性能、信頼性、精度の少なくとも１つが向上する。双安定梁１１０は、適切な境界条件１１２、たとえば、固定境界条件、ベアリング境界条件、ばね境界条件、または異なる境界条件を組み合わせた境界条件を使用して基板１０１にアンカ止めされる。双安定梁１１０は、第１安定状態において、所定の非線形形状になり、ほとんど応力を受けない状態が達成されるように製造される。
【００５０】
可動メンバ１２０、たとえば、導波管、光ファイバなどを設けて、可動メンバ１２０が双安定梁１１０と共に動くように構成してもよい。図１に示すように、導波管、光ファイバなどに対応する定常状態メンバ１３０は基板１０１に固定される。
【００５１】
第１実施形態の概略図を図２に示す。図には、第２安定状態にある双安定梁１１０を示した。図示したように、可動メンバ１２０は、双安定梁１１０と共に第１安定状態から第２安定状態に移動し、定常状態メンバ１３０と整列または連結される。図１および図２に示したように、双安定梁１１０に力Ｆを印加すると、双安定梁１１０が第１安定状態と第２安定状態の間を移動する。
【００５２】
図１および図２に、双安定梁１１０を概略図で示した。梁の所定の非線形形状には、単純曲線、複合曲線、一連の線分などを含む適切な形状を用いてよいが、これらの形状に限定されるものではない。このように、所定の非線形形状は、第１安定状態を規定できる任意の形状でよい。
【００５３】
本発明の第２実施形態に係る微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステム２００の概略図を図３に示す。本システム２００は、第１安定状態で図示した１組の双安定梁２１０と、少なくとも１個のアクチュエータ２４０と、を含む。双安定梁２１０は、適切な境界条件２１２を用いて基板２０１にアンカ止めされる。
【００５４】
可動メンバ２２０を配設して、可動メンバ２２０が双安定梁２１０と共に動くように構成する。可動メンバ２２０は、アクチュエータ２４０によって双安定梁と共に第１安定状態から第２安定状態に移行する。アクチュエータ２４０が双安定梁２１０に印加する力によって、双安定梁２１０は第１安定状態と第２安定状態の間を移動する。この力については、直接的あるいは間接的に印加してもよく、また、双安定梁２１０との接触によって実現しても、あるいは双安定梁２１０と接触せずに実現してもよい。
【００５５】
アクチュエータ２４０は、既に周知の装置、あるいは今後開発される装置のいずれであっても、双安定梁を安定状態の間で動かす力を印加できる装置であればよい。アクチュエータ２４０は、たとえば、熱アクチュエータ、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ、磁気アクチュエータのいずれであっても、またはその任意の組み合わせであってもよい。適用する具体的な対象は、所定の用途に応じた設計考慮事項に基づいて選択してよい。たとえば、特定の用途では、熱衝撃アクチュエータまたはジッパ式静電アクチュエータが便利な場合もある。
【００５６】
前述したように、本発明に係る微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、大規模システム、または複合システムに組み込んでよい。たとえば、図４に概略を示したように、光学式スイッチングシステム３００は、１組の双安定梁３１０を含む。双安定梁３１０は、図において、所定の非線形形状を呈する、ほとんど応力を受けない第１安定状態で示されている。
【００５７】
本システム３００が更に備える入力光ファイバ３５０と出力光ファイバ３６０は、それぞれ、異なる定常状態の導波管３３２，３３４と繋がるように配設される。可動スイッチングメンバ３２０は、定常状態導波管３３２と３３４の間に位置しており、該定常状態導波管３３２，３３４に対して相対的に移動できる。可動スイッチングメンバ３２０を配設して、双安定梁３１０と共に動くように構成する。可動スイッチングメンバ３２０は、図４に示すように、たとえば、導波管３２２の配列を備えていてもよい。
【００５８】
使用において、アクチュエータ（図示せず）によって力Ｆが双安定梁３１０に印加されると、双安定梁３１０は、図４に示した第１安定状態から第２安定状態（図示せず）に移行する。可動スイッチングメンバ３２０が双安定梁３１０と共に移動することによって、別の導波管３２２が定常状態導波管３３２と３３４の間を繋ぐ。この方法では、入力光ファイバ３５０の一方への光信号の入力は、たとえば、出力光ファイバ３６０の間で切り換えてもよい。また、可動メンバ３２０の導波管３２２を配設して、第１安定状態と第２安定状態の間における双安定梁３１０の移動に合わせて可動メンバ３２０を動かすことによって光信号を切り換えてもよい。更に、可動メンバ３２０の導波管３２２は、光信号を減衰させるように設けられていてもよい。
【００５９】
図４に示すように、第２安定状態は、ストッパ３７０を挿入することで変更してもよい。ストッパ３７０は、双安定梁３１０の一方が、本来の第２安定状態に達する前にストッパ３７０と接触するように配置される。ストッパ３７０をこのように配置すると、双安定梁３１０の一方が、第２安定状態においてストッパ３７０にバイアスされる。この状態は、双安定梁３１０および可動メンバ３２０が、正確かつ確実に第２安定状態に至るように補助する。図４に示すように、ストッパ３７０に***３７２を設け、接触状態にある双安定梁３１０の一部とストッパ３７０の間の静摩擦を抑制してもよい。
【００６０】
図５に例示したグラフは、梁を動かすために印加する力と、該力に対する梁の変位を示している。梁の非線形形状およびジオメトリが実際の曲線を決定する。
【００６１】
第１安定状態から移動した後、梁は、不安定な均衡状態を通過して、安定した均衡状態である梁の第２安定状態に移行する。ストッパ３７０の位置は、図５の中に仮想点線で示した。図示したように、ストッパは、不安定な均衡状態と、本来の第２安定状態に該当する安定した均衡状態の間における約０．０１８５ｍｍの位置に設けられている。したがって、梁は、本来の第２安定状態に該当する安定した均衡状態に至る前に停止することになる。この安定した均衡状態へと向かう梁の復元力により梁がストッパにバイアスされる。
【００６２】
双安定微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステムは、本発明に従って、梁の第１安定状態に対応する所定の非線形形状を備える梁をリソグラフィにより規定することで製造してもよい。リソグラフィ技術としては、周知、または今後開発される任意のリソグラフィ技術を利用してよい。リソグラフィによって、梁の特性、たとえば、形状およびジオメトリなどを正確に製造できる。
【００６３】
前述したように、梁の所定の非線形形状は、該梁の第１安定状態を規定する。同様に梁のジオメトリは、該梁の第２安定状態を規定する。したがって、本発明の各種実施形態によれば、本製造方法は、更に、所定のジオメトリを有するように梁をリソグラフィにより規定することで、梁の第２安定状態を決定するステップを含む。所定のジオメトリは、所定の長さ、所定の幅、および所定の曲率の少なくとも１つまたは複数を含んでよい。高さは、梁が作成される材料層の厚さによって規定してもよいことは理解されるであろう。
【００６４】
また、梁の所定のジオメトリをリソグラフィにより規定して、梁の他の各種特性を規定してもよい。たとえば、梁の送り距離と力曲線の少なくとも一方を規定するように、梁のジオメトリを規定してもよい。
【００６５】
例示した各種実施形態では、リソグラフィを用いて、双安定梁に関連付けるアクチュエータを形成している。同様に、双安定梁の境界条件も、リソグラフィ技法を用いて形成してよい。また、他の同様の製造技術を使用してもよいが、システム全体を同一の技法で製造すると、たとえば、独立した方法ステップを減らして、行程を単純にできる点で有利である。
【００６６】
前述したように、梁は、ＳＯＩウェーハのデバイス層内で梁をパターニングして、リソグラフィにより規定してもよい。デバイス層と基板の間の絶縁層を部分的にエッチングして、梁を解放すると共に、絶縁層の一部を残して基板に梁をアンカ止めする。梁をアンカ止めする絶縁層部分は、所望の境界条件を梁に規定するようにパターニングおよびエッチングする。
【００６７】
デバイス層内での双安定梁の製造に適した技法の例は、参照用に全体をそのまま援用する同時係属中の米国特許出願第０９／４６７，５２６号、第０９／４６８，４２３号、および第０９／４６８，１４１号に記載されている。別の適切な技術は、参照用に全体をそのまま援用する同時係属中の米国特許出願第０９／７１８，０１７号に記載されている。
【００６８】
一般に、ポリシリコン表面の微細機械加工では、プレーナー製造工程のステップを利用する。このステップは、微小電子機械装置およびマイクロメカニカル装置を製造する集積回路（ＩＣ）製造産業に共通したステップである。標準的なブロック組み立て工程は、基板上に代替層を成膜してフォトリソグラフィ技術でパターニングするステップを含む。代替層は、応力の低い多結晶シリコンと、たとえば基板上の二酸化ケイ素のような犠牲層と、を含む。犠牲層を通じてエッチングされたビアは、多結晶シリコン層間および基板にアンカ点を提供する。多結晶シリコン層をパターニングして、微細機械加工装置のメカニカル素子を形成する。メカニカル素子は、このように、蒸着工程およびパターニング工程の一連のステップで層ごとに形成される。二酸化ケイ素層は、その後、多結晶シリコン層に付着しない選択的エッチング液、たとえば、フッ化水素酸（ＨＦ）などに晒すことによって除去される。これにより、多結晶シリコン層に形成されたメカニカル素子が解放され、メカニカル素子の動作が可能になる。
【００６９】
本発明について、各種実施形態を参照しながら説明したが、各種の置き換え、修正、変更が可能であることは、当業者であれば理解されるであろう。したがって、本発明の精神および範囲にそれることのない置き換え、修正、および変更は、すべて、本発明の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る双安定梁を含む、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の第１実施形態の概略図である。
【図２】 図１の第１実施形態を第２安定状態で示した概略図である。
【図３】 本発明に係る双安定梁とアクチュエータを含む、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の第２実施形態の概略図である。
【図４】 本発明に係る双安定梁を含む光学式スイッチングシステムの実施形態を第１安定状態で示した概略図である。
【図５】 第２安定状態の安定した均衡状態にある図４の実施形態の力曲線を表したグラフである。
【符号の説明】
１００，２００，３００ 微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）に基づくシステム、１０１，２０１ 基板、１１０，２１０，３１０ 双安定梁、１１２，２１２ 境界条件、１３０ 定常状態メンバ、２４０ アクチュエータ、３００ 光学式スイッチングシステム、３２０ 可動メンバ、３３２，３３４ 導波管、３５０ 入力光ファイバ、３６０ 出力光ファイバ、３７０ ストッパ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure based on a microelectromechanical system (MEMS) and a system based on a microelectromechanical system (MEMS) comprising at least one bistable structure. The invention also relates to a method of manufacturing such a structure and system and a method of operating a system based on a microelectromechanical system.
[0002]
[Prior art]
Bistable beams are known for use in systems based on microelectromechanical systems (MEMS). Such bistable beams are applied to, for example, digital data storage devices, electronic switching, and optical switching.
[0003]
For example, a tunable micromechanical bistable system is disclosed by M. Saifa, published in June 2000, Micro Electromechanical System, Vol. 9, No. 2, pages 157-170. Tuned bistable MEMS theory and experiment ("On a Tunable Bistable MEMS-Theory and Experiment", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, No. 2, pp. 157-170, non-patent document 157-170, June 2000). ing. This bistable system consists of an elongated micromechanical beam attached to an actuator. The beam is exposed to lateral forces and residual stresses manifested during manufacture. As the actuator generates a compressive force in the axial direction of the beam, the beam buckles laterally and reaches one of two equilibrium states.
[0004]
Another example of a well-known beam structure is described by Vangbo et al. In 1998, Micromechanical, Micro Engineering No. 8, pp. 29-32, “Transverse Symmetrical Bistable Buckling Beam (“ A Lateral ”). "Symmetrically bistable buckled beam" J. Micromech. Microng., 8 (1998)), Non-Patent Document 2 ". As it is described, the laterally symmetric bistable beam is snapped into a device based on a microelectromechanical system (MEMS) and held in place by a spring force. The beam structure includes an open upright beam that is oxidized to induce tensile stress or has a compression coating anchored on the beam.
[0005]
U.S. Pat. No. 6,168,395 issued to Quenzer et al. Discloses a bistable electrostatic actuator using a pneumatic or hydraulic joint. The bistable actuator includes a buckled thin film portion that is driven by an encapsulated electrode. A thin film operates in a reaction, such that when one thin film is pulled down, another thin film is pushed up. Bistable actuators are specifically designed for application to microvalves and use curved electrodes.
[0006]
US Pat. No. 6,303,885 to Hichwa et al. Describes a micromachined bistable electromechanical switch. The switch element included in the bistable switch is suspended by a plurality of spring arms between the switch main body portions. The spring arm is attached to the wall of the hollow body portion of the central beam, and the spring arm and the wall of the hollow beam are deformed between stable states in response to the driving force of the actuator.
[0007]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,168,395
[Patent Document 2]
US Pat. No. 6,303,885
[Non-Patent Document 1]
Wallet, “On a Tunable Bistable MEMS—Theory and Experiment”, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 9, no. 2, pp. 157-170, June 2000
[Non-Patent Document 2]
Bambo et al., “A laterally symmetrical buckled beam” Micromech. Miceng. , 8 (1998), pp. 29-32
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, known bistable beams require either built-in stress, applied compressive force, or hollow beam portions that form additional springs. However, adding an actuator for the applied compressive force complicates system design and manufacturing. In addition, when the built-in stress is created in the beam, it becomes difficult to manufacture because the built-in stress is difficult to control. In addition, the addition of hollow beams adds to the complexity of design and manufacturing. Accordingly, it is an object of the present invention to eliminate the aforementioned problems and other obstacles associated with conventional bistable beams.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The system and method according to the present invention provides a bistable beam that is a micromachined bistable beam that has a first stable state in which the beam is hardly stressed.
[0010]
The system and method according to the present invention separately improves flexibility in the design of bistable systems.
[0011]
The system and method according to the present invention also reduces the complexity in designing a bistable system.
[0012]
The system and method according to the present invention separately improves the manufacturability of a bistable system.
[0013]
The system and method according to the present invention also reduces the size and weight of a bistable system.
[0014]
The system and method according to the present invention separately reduces the manufacturing cost of a bistable system.
[0015]
The system and method according to the present invention separately provides bistable operation with improved performance.
[0016]
The system and method according to the present invention separately provides bistable operation with improved robustness and / or reliability.
[0017]
The system and method according to the present invention separately provides bistable operation with improved efficiency.
[0018]
The system and method according to the present invention separately provides a bistable beam with improved out-of-plane stiffness.
[0019]
The system and method according to the present invention separately provide non-contact operation of a bistable beam in at least one of a non-contact state and a steady state.
[0020]
The system and method according to the present invention separately provides switching using a bistable system.
[0021]
The system and method according to the present invention separately provides a waveguide switch using bistable operation.
[0022]
The system and method according to the present invention separately provides attenuation using a bistable system.
[0023]
The system and method according to the present invention separately improves the control of the first position of the bistable beam in the first stable state.
[0024]
The system and method according to the present invention separately improves the control of the second position of the bistable beam in the second stable state.
[0025]
The system and method according to the present invention separately provides a bistable system including a stopper. The stopper contacts the bistable beam when the bistable beam is in a state close to a second stable state between the first stable state and the second stable state.
[0026]
In various exemplary embodiments according to the systems and methods of the present invention, a system based on a bistable microelectromechanical system (MEMS) is a micromachined beam that is substantially unstressed and has a predetermined nonlinearity. A beam having a first stable state and a second stable state exhibiting a shape is included. In various embodiments, the predetermined non-linear shape includes a simple curve. In various other embodiments, the predetermined non-linear shape includes a complex curve, such as four arcs that are substantially identical. In yet another embodiment, the predetermined non-linear shape includes a series of line segments.
[0027]
In the various illustrated embodiments, the beam has at least one fixed boundary condition. In other various embodiments, the beam has at least one bearing boundary condition. In other various embodiments, the beam has at least one spring boundary condition. The beam may also have conditions that combine different boundary conditions.
[0028]
In various illustrated embodiments, the system further comprises a stopper disposed between the first stable state and the second stable state of the beam. The stopper may be arranged near the second stable state of the beam so that the beam is biased by the stopper when the beam moves from the first stable state.
[0029]
In various exemplary embodiments according to the systems and methods of the present invention, a system based on a bistable microelectromechanical system (MEMS) is a micromachined beam that is substantially unstressed and has a predetermined nonlinearity. A beam having a first stable state and a second stable state exhibiting a shape; an actuator provided for moving the beam between the first stable state and the second stable state; and a first stable state of the beam And a movable element that moves between a first position and a second position in accordance with movement between the second stable state. The actuator may be any of a thermal actuator, an electrostatic actuator, a piezoelectric actuator, and a magnetic actuator. In various illustrated embodiments, the actuator includes a thermal shock actuator, and in other various embodiments, the actuator includes a zippering electrostatic actuator.
[0030]
In various exemplary embodiments of the system and method of the present invention, when a first force is applied in a first direction, the beam is a micromachined beam that is hardly stressed and has a predetermined nonlinear shape. The beam having the first stable state exhibiting the transition from the first stable state to the second stable state. The application of the first force may be configured as application of a force using any one of a thermal actuator, an electrostatic actuator, a piezoelectric actuator, and a magnetic actuator. In the various illustrated embodiments, the application of the first force may be configured as the application of force using a thermal shock actuator. In other various embodiments, the application of the first force may be configured as a force application using a zippered electrostatic actuator.
[0031]
In various illustrated embodiments, the beam transitions from the second stable state to the first stable state when the second force is applied in the second direction. The application of the second force may be configured as application of a force using any one of a thermal actuator, an electrostatic actuator, a piezoelectric actuator, and a magnetic actuator. In other various embodiments, the application of the second force may be configured as a force application using a thermal shock actuator or a zippered electrostatic actuator.
[0032]
In various exemplary embodiments according to the systems and methods of the present invention, a system based on a bistable microelectromechanical system (MEMS) lithography defines a beam having a predetermined non-linear shape corresponding to the first stable state of the beam. By manufacturing. In various illustrated embodiments, the manufacturing method further includes determining a second stable state of the beam by lithographically defining the beam to a particular geometry. In various embodiments, the step of lithographically defining the beam to have a particular geometry includes shaping the beam to have at least one of a particular length, a particular width, a particular height, and a particular curvature. Including the step of defining by lithography. In various embodiments, the beam height is defined such that the beam height is greater than the beam width to reduce potential out-of-plane buckling of the beam.
[0033]
In various illustrated embodiments, the manufacturing method further determines the beam feed distance between the first stable state and the second stable state by lithography defining the beam to have a specific geometry. Includes steps. In various embodiments, the step of lithographically defining the beam to have a specific geometry includes lithography the beam to have at least one of a specific length, a specific width, a specific height, and a specific curvature. Includes the steps defined by
[0034]
In various illustrated embodiments, the manufacturing method further determines the beam force curve between the first stable state and the second stable state by lithography defining the beam to have a particular geometry. Includes steps. In various embodiments, the step of lithographically defining the beam to have a specific geometry includes lithography the beam to have at least one of a specific length, a specific width, a specific height, and a specific curvature. Includes the steps defined by
[0035]
In various illustrated embodiments, the manufacturing method further includes forming at least one of a thermal actuator, an electrostatic actuator, a piezoelectric actuator, and a magnetic actuator adjacent to the beam. In various embodiments, forming at least one of a thermal actuator, an electrostatic actuator, a piezoelectric actuator, and a magnetic actuator adjacent to the beam includes forming a thermal shock actuator. In various other embodiments, forming at least one of a thermal actuator, an electrostatic actuator, a piezoelectric actuator, and a magnetic actuator adjacent to the beam includes forming a zippered electrostatic actuator.
[0036]
In the various illustrated embodiments, the manufacturing method further includes the step of forming a fixed boundary condition for the at least one beam. In other various embodiments, the manufacturing method further includes forming a bearing boundary condition for the at least one beam. In various other embodiments, the manufacturing method further includes forming a spring boundary condition for the at least one beam. The manufacturing method may further include a step of forming a boundary condition of the beam combining different boundary conditions.
[0037]
In various illustrated embodiments, the lithographically defined manufacturing steps include patterning the beam on a device layer of a SOI (silicon-on-insulator) wafer. The manufacturing method further includes partially etching the insulating layer between the device layer and the substrate to release the beam and anchoring the beam to the substrate leaving the insulating layer partially.
[0038]
In various exemplary embodiments according to the system and method of the present invention, a system based on a microelectromechanical system (MEMS) is micromachined with an input unit, an output unit, a movable element connecting the input / output units, and A beam having a first stable state and a second stable state in which the beam is hardly stressed and exhibits a predetermined nonlinear shape. In various exemplary embodiments, the system is an optical system including an optical input / output unit. In another illustrated embodiment, the system is an electronic system with an electronic input / output unit. In yet another embodiment, the system is a fluid system comprising a fluid input / output unit. In the various illustrated embodiments, the system includes a data storage system. In another illustrated embodiment, the system includes a switching system.
[0039]
The foregoing characteristics and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description of various embodiments of the systems and methods according to the invention.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Various embodiments of the system and method of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0041]
While the invention will be described with reference to an optical switching system, it will be understood that the invention is not limited to such a system. Systems based on microelectromechanical systems (MEMS) utilizing bistable states are the subject of the present invention. The following description is intended to illustrate features of the invention and is not intended to limit the invention to the particular embodiments disclosed.
[0042]
The system and method according to the present invention provides a system based on a bistable microelectromechanical system (MEMS). In various embodiments of the present invention, a system based on a bistable microelectromechanical system (MEMS) is a micromachined beam, the first stable state in which the beam is hardly stressed and exhibits a predetermined nonlinear shape. And a second stable state. A system based on a bistable microelectromechanical system (MEMS) according to the present invention provides increased design flexibility, improved manufacturability, reduced size and weight, and reduced manufacturing costs, while providing performance. At least one of improved bistable operation and improved bistable operation is provided.
[0043]
In various illustrated embodiments, the predetermined non-linear shape includes a simple curve. In other various embodiments, the predetermined non-linear shape includes a compound curve. The compound curve may include, for example, four substantially identical arcs. In yet another embodiment, the predetermined non-linear shape includes a series of line segments. The predetermined non-linear shape defines the first stable state of the beam.
[0044]
In various illustrated embodiments, a system based on a bistable microelectromechanical system (MEMS) includes lithographically defining the beam to have a predetermined non-linear shape corresponding to the first stable state of the beam. In various illustrated embodiments, the second stable state of the beam is determined by lithography defining the beam to have at least one of a predetermined geometry, eg, a predetermined length, width, curvature. Furthermore, other characteristics of the beam may be determined by lithographically defining the beam to a specific geometry. Lithography provides an accurate and controllable manufacturing process that does not generate stress.
[0045]
In various illustrated embodiments, a method for lithographically defining a beam includes patterning the beam on a device layer of an SOI (silicon-on-insulator) wafer. The manufacturing method further includes partially etching the insulating layer between the device layer and the substrate to release the beam and anchor the beam to the substrate leaving a portion of the insulating layer. Since the device layer is a layer hardly subjected to stress, unnecessary stress can be eliminated from the inside of the beam.
[0046]
The system and method according to the present invention also provides bistable operation. In various illustrated embodiments, when a first force is applied in a first direction, the beam is a micromachined beam that has a first stable state that is substantially unstressed and exhibits a predetermined non-linear shape. The beam transitions from the first stable state to the second stable state. In various illustrated embodiments, the beam transitions from the second stable state to the first stable state when the second force is applied in the second direction.
[0047]
At least one of the beam and the bistable operation according to the present invention may be applied to various uses and may form part of a large-scale system. For example, a system based on a micro-electromechanical system (MEMS) includes an input unit, an output unit, a movable element that connects the input and output units, and a micromachined beam that is hardly subjected to stress. A beam having a first stable state exhibiting a predetermined nonlinear shape and a second stable state. Further, the system can be an optical system, an electronic system, or a fluid system. The system may be a data storage system or a switching system.
[0048]
According to various illustrated embodiments of the present invention, micromachining techniques and other micromechanical system based manufacturing techniques are micromachined beams that are substantially unstressed and have a predetermined nonlinear shape. Is used to process a beam having a first stable state and a second stable state. Such processing techniques are relatively advanced compared to other possible techniques, resulting in more reliable results and higher flexibility. In the illustrated embodiments, bistable beams are manufactured using surface micromachining techniques such as lithography described above.
[0049]
A schematic diagram of a system 100 based on a microelectromechanical system (MEMS) according to a first embodiment of the present invention is shown in FIG. The system 100 includes a set of bistable beams 110, shown in a first stable state in the figure. Although a set of bistable beams is illustrated, it will be understood that a single bistable beam may be used. When two or more bistable beams are employed, the beams function in a coordinated manner, thereby improving at least one of performance, reliability, and accuracy. The bistable beam 110 is anchored to the substrate 101 using an appropriate boundary condition 112, such as a fixed boundary condition, a bearing boundary condition, a spring boundary condition, or a boundary condition that combines different boundary conditions. The bistable beam 110 is manufactured so as to achieve a predetermined non-linear shape in the first stable state and a state in which it is hardly subjected to stress.
[0050]
A movable member 120 such as a waveguide or an optical fiber may be provided so that the movable member 120 moves with the bistable beam 110. As shown in FIG. 1, a steady state member 130 corresponding to a waveguide, an optical fiber, or the like is fixed to the substrate 101.
[0051]
A schematic diagram of the first embodiment is shown in FIG. The figure shows the bistable beam 110 in the second stable state. As shown, the movable member 120 moves from the first stable state to the second stable state together with the bistable beam 110 and is aligned or coupled to the steady state member 130. As shown in FIGS. 1 and 2, when a force F is applied to the bistable beam 110, the bistable beam 110 moves between the first stable state and the second stable state.
[0052]
1 and 2 schematically show the bistable beam 110. The predetermined non-linear shape of the beam may be an appropriate shape including a simple curve, a compound curve, a series of line segments, etc., but is not limited to these shapes. Thus, the predetermined non-linear shape may be any shape that can define the first stable state.
[0053]
A schematic diagram of a system 200 based on a microelectromechanical system (MEMS) according to a second embodiment of the invention is shown in FIG. The system 200 includes a set of bistable beams 210 illustrated in a first stable state and at least one actuator 240. The bistable beam 210 is anchored to the substrate 201 using an appropriate boundary condition 212.
[0054]
A movable member 220 is provided so that the movable member 220 moves with the bistable beam 210. The movable member 220 shifts from the first stable state to the second stable state together with the bistable beam by the actuator 240. The force applied by the actuator 240 to the bistable beam 210 causes the bistable beam 210 to move between the first stable state and the second stable state. This force may be applied directly or indirectly, and may be realized by contact with the bistable beam 210 or may be realized without contact with the bistable beam 210.
[0055]
The actuator 240 may be a device that can apply a force for moving the bistable beam between stable states, whether it is an already known device or a device developed in the future. The actuator 240 may be, for example, any one of a thermal actuator, an electrostatic actuator, a piezoelectric actuator, a magnetic actuator, or any combination thereof. The specific target to apply may be selected based on design considerations for a given application. For example, in certain applications, a thermal shock actuator or a zippered electrostatic actuator may be convenient.
[0056]
As described above, a system based on a microelectromechanical system (MEMS) according to the present invention may be incorporated into a large-scale system or a complex system. For example, as schematically illustrated in FIG. 4, the optical switching system 300 includes a set of bistable beams 310. The bistable beam 310 is shown in the drawing in a first stable state that exhibits a predetermined non-linear shape and is hardly stressed.
[0057]
The system 300 further includes an input optical fiber 350 and an output optical fiber 360 that are connected to different steady-state waveguides 332 and 334, respectively. The movable switching member 320 is located between the steady state waveguides 332 and 334 and can move relative to the steady state waveguides 332 and 334. A movable switching member 320 is provided and configured to move with the bistable beam 310. The movable switching member 320 may include, for example, an array of waveguides 322 as shown in FIG.
[0058]
In use, when a force F is applied to the bistable beam 310 by an actuator (not shown), the bistable beam 310 transitions from the first stable state shown in FIG. 4 to the second stable state (not shown). To do. As the movable switching member 320 moves with the bistable beam 310, another waveguide 322 connects between the steady state waveguides 332 and 334. In this method, the input of the optical signal to one of the input optical fibers 350 may be switched between the output optical fibers 360, for example. Further, even if the waveguide 322 of the movable member 320 is disposed and the optical signal is switched by moving the movable member 320 in accordance with the movement of the bistable beam 310 between the first stable state and the second stable state. Good. Furthermore, the waveguide 322 of the movable member 320 may be provided so as to attenuate the optical signal.
[0059]
As shown in FIG. 4, the second stable state may be changed by inserting a stopper 370. The stopper 370 is arranged so that one of the bistable beams 310 contacts the stopper 370 before reaching the original second stable state. When the stopper 370 is arranged in this way, one of the bistable beams 310 is biased to the stopper 370 in the second stable state. This state assists the bistable beam 310 and the movable member 320 to reach the second stable state accurately and reliably. As shown in FIG. 4, a protrusion 372 may be provided on the stopper 370 to suppress static friction between a part of the bistable beam 310 in contact with the stopper 370.
[0060]
The graph illustrated in FIG. 5 shows the force applied to move the beam and the displacement of the beam with respect to the force. The nonlinear shape and geometry of the beam determine the actual curve.
[0061]
After moving from the first stable state, the beam passes through an unstable equilibrium state and transitions to the beam's second stable state, which is a stable equilibrium state. The position of the stopper 370 is indicated by a virtual dotted line in FIG. As illustrated, the stopper is provided at a position of about 0.0185 mm between the unstable equilibrium state and the stable equilibrium state corresponding to the original second stable state. Therefore, the beam stops before reaching a stable equilibrium state corresponding to the original second stable state. The beam is biased to the stopper by the restoring force of the beam toward this stable equilibrium state.
[0062]
A system based on a bistable microelectromechanical system (MEMS) may be manufactured in accordance with the present invention by lithography defining a beam with a predetermined non-linear shape corresponding to the first stable state of the beam. As the lithography technique, any lithography technique that is known or will be developed in the future may be used. Lithography can accurately produce beam characteristics, such as shape and geometry.
[0063]
As described above, the predetermined nonlinear shape of the beam defines the first stable state of the beam. Similarly, the geometry of the beam defines the second stable state of the beam. Thus, according to various embodiments of the present invention, the manufacturing method further includes determining a second stable state of the beam by lithography defining the beam to have a predetermined geometry. The predetermined geometry may include at least one or more of a predetermined length, a predetermined width, and a predetermined curvature. It will be appreciated that the height may be defined by the thickness of the material layer from which the beam is made.
[0064]
Also, a predetermined geometry of the beam may be defined by lithography to define other various characteristics of the beam. For example, the geometry of the beam may be defined so as to define at least one of the beam feed distance and the force curve.
[0065]
In the various illustrated embodiments, lithography is used to form actuators that are associated with bistable beams. Similarly, bistable beam boundary conditions may also be formed using lithographic techniques. Other similar manufacturing techniques may also be used, but manufacturing the entire system with the same technique is advantageous in that it can simplify the process, for example, by reducing independent method steps.
[0066]
As described above, the beam may be defined by lithography by patterning the beam in the device layer of the SOI wafer. The insulating layer between the device layer and the substrate is partially etched to release the beam and anchor the beam to the substrate leaving a portion of the insulating layer. The insulating layer portion that anchors the beam is patterned and etched to define the desired boundary conditions for the beam.
[0067]
Examples of techniques suitable for the production of bistable beams in the device layer include co-pending US patent applications 09 / 467,526, 09 / 468,423, which are incorporated by reference in their entirety, and 09 / 468,141. Another suitable technique is described in co-pending US patent application Ser. No. 09 / 718,017, which is incorporated by reference in its entirety.
[0068]
In general, micromachining of the polysilicon surface utilizes the steps of the planar manufacturing process. This step is common to the integrated circuit (IC) manufacturing industry that manufactures microelectromechanical devices and micromechanical devices. A standard block assembly process includes depositing an alternative layer on a substrate and patterning it with photolithography techniques. Alternative layers include low stress polycrystalline silicon and a sacrificial layer such as silicon dioxide on the substrate. Vias etched through the sacrificial layer provide anchor points for the polysilicon layer and the substrate. The polycrystalline silicon layer is patterned to form a mechanical element of the micromachining apparatus. Thus, the mechanical element is formed for each layer in a series of steps of a vapor deposition process and a patterning process. The silicon dioxide layer is then removed by exposure to a selective etchant that does not adhere to the polycrystalline silicon layer, such as hydrofluoric acid (HF). Thereby, the mechanical element formed in the polycrystalline silicon layer is released, and the operation of the mechanical element becomes possible.
[0069]
Although the present invention has been described with reference to various embodiments, those skilled in the art will appreciate that various substitutions, modifications, and changes are possible. Accordingly, all replacements, modifications and changes that do not depart from the spirit and scope of the invention are intended to be embraced within the scope of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of a microelectromechanical system (MEMS) including a bistable beam according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing the first embodiment of FIG. 1 in a second stable state.
FIG. 3 is a schematic view of a second embodiment of a microelectromechanical system (MEMS) including a bistable beam and an actuator according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing an embodiment of an optical switching system including a bistable beam according to the present invention in a first stable state.
FIG. 5 is a graph representing the force curve of the embodiment of FIG. 4 in a stable equilibrium state of the second stable state.
[Explanation of symbols]
100, 200, 300 Microelectromechanical system (MEMS) based system, 101, 201 substrate, 110, 210, 310 bistable beam, 112, 212 boundary condition, 130 steady state member, 240 actuator, 300 optical switching system, 320 movable member, 332, 334 waveguide, 350 input optical fiber, 360 output optical fiber, 370 stopper.

Claims (7)

双安定微小電子機械システムに基づくシステムであって、
基板に梁を所定の非線形形状にパターニングし部分的エッチングによって前記梁を解放すると共に端部を前記基板に所定の境界条件で固定する微細機械加工によって得られる複数の梁であって、
前記複数の梁のそれぞれは、
前記パターニングされた前記所定の非線形形状のままで応力を受けずに両端部が前記基板に固定され、これを第１安定状態とし、該第１安定状態とは別の第２安定状態を有し、
前記複数の梁が可動素子を介して接続されて協調して１つの双安定動作素子として働き、
前記複数の梁のそれぞれは、
応力を受けて前記所定の非線形形状を呈する第１の安定状態とこれとは別の第２の安定状態とを有する梁の変位−力特性に比べて、前記応力を受けない分だけ前記変位−力特性が同じ変位で力が余計に必要なようにシフトし、
前記第１安定状態から前記第２安定状態に動かすために要する力の最大値と、前記第２安定状態から前記第１安定状態に戻す力の最大値とが、相互に大きさが異なり、前者の力の最大値が後者の力の最大値より大きいことを特徴とする双安定微小電子機械システムに基づくシステム。A system based on a bistable microelectromechanical system,
A plurality of beams obtained by micromachining that pattern a beam on a substrate into a predetermined nonlinear shape, release the beam by partial etching, and fix an end to the substrate at a predetermined boundary condition ,
Each of the plurality of beams is
Both ends of the patterned non-linear shape remain fixed to the substrate without receiving stress , and this is set as a first stable state, and has a second stable state different from the first stable state . And
The plurality of beams are connected via a movable element to work together as one bistable operating element,
Each of the plurality of beams is
Beam displacement and a further second stable state and the first stable state under stress exhibits the predetermined non-linear shape to this - as compared to the force characteristic, not subjected to the stress amount corresponding said displacement - The force characteristics are shifted so that extra force is required at the same displacement,
Wherein the maximum value of the force from the first stable state required to move to the second stable state, the second maximum value of the force to return from the stable state to the first stable state, different from each other sizes, the former A system based on a bistable microelectromechanical system, characterized in that the maximum value of the force is greater than the maximum value of the latter force. 請求項１に記載のシステムであって、
前記複数の梁のそれぞれを協調させて前記第１安定状態と前記第２安定状態の間で動かすために設けられたアクチュエータを備え、
前記可動素子は、前記複数の梁の前記第１安定状態と前記第２安定状態の間の移動に従って、第１位置と第２位置の間を移動することを特徴とするシステム。The system of claim 1, comprising:
An actuator that is provided for the plurality of by coordination of each beam movable between the second stable state and the first stable state,
The movable element is, systems that the following movement between the first stable state and the second stable state, wherein the benzalkonium move between a first position and a second position of said plurality of beams. 請求項１に記載の双安定微小電子機械システムに基づくシステムを用いた微小電子機械システムに基づくシステムの作動方法であって、
前記複数の梁のそれぞれを協調させて前記第１安定状態から前記第２安定状態に動かす第１力を第１方向に印加するステップを含むことを特徴とする方法。A method for operating a system based on a microelectromechanical system using a system based on a bistable microelectromechanical system according to claim 1, comprising:
Method characterized by comprising the step of applying a first force to move the second stable state from the first stable state by coordination with each of the plurality of beams in a first direction. 請求項３に記載の方法であって、
前記複数の梁のそれぞれが前記第２安定状態に至る前に、前記複数の梁のそれぞれを停止させるステップを更に含むことを特徴とする方法。The method of claim 3, comprising:
How each of the plurality of beams prior to reaching the second stable state, characterized by further comprising the step of stopping each of the plurality of beams. 請求項３に記載の方法であって、
第２力を第２方向に印加して、前記複数の梁のそれぞれを協調させて前記第１安定状態に戻すステップを更に含むことを特徴とする方法。The method of claim 3, comprising:
Applying a second force in a second direction to coordinate each of the plurality of beams to return to the first stable state. 双安定微小電子機械システムに基づくシステムの製造方法であって、
基板に梁を所定の非線形形状にパターニングし部分的エッチングによって前記梁を解放すると共に端部を前記基板に所定の境界条件で固定する微細機械加工によって複数の梁を形成し、該複数の梁のそれぞれは、前記パターニングされた前記所定の非線形形状のままで応力を受けずに両端部が前記基板に固定され、これを第１安定状態とし、該第１安定状態とは別の第２安定状態を有し、前記複数の梁が可動素子を介して接続されて協調して１つの双安定動作素子として機能し、
前記所定の非線形形状は、
前記複数の梁のそれぞれが前記パターニングされた前記所定の非線形形状のままで前記応力を受けずに前記両端部が前記基板に固定された前記第１安定状態と、該第１安定状態とは別の前記第２安定状態とを有することで、
応力を受けて所定の非線形形状を呈する第１の安定状態とこれとは別の第２の安定状態とを有する梁の変位−力特性に比べて、前記応力を受けない分だけ前記変位−力特性が同じ変位で力が余計に必要なようにシフトし、前記第１安定状態から前記第２安定状態に動かすために要する力の最大値と、前記第２安定状態から前記第１安定状態に戻す力の最大値とが、相互に大きさが異なり、前者の力の最大値が後者の力の最大値より大きいものとして規定されることを特徴とする方法。A method of manufacturing a system based on a bistable microelectromechanical system,
A plurality of beams are formed by micromachining in which beams are patterned into a predetermined nonlinear shape on a substrate, the beams are released by partial etching, and ends are fixed to the substrate at predetermined boundary conditions. Each of the two ends is fixed to the substrate without being stressed in the patterned non-linear shape, and this is set as a first stable state, which is different from the first stable state. And the plurality of beams are connected via a movable element to function as one bistable operation element in cooperation with each other,
The predetermined non-linear shape is:
Wherein a plurality of said first stable state in which the both end portions without receiving the stress is fixed to the substrate while the predetermined non-linear shape, each being the patterned beam, different from the first stable state by having deliberately said second stable shape,
Beam displacement and a further second stable state under stress in the first stable state exhibiting a predetermined non-linear shape and which - compared to the force characteristic, not subjected to the stress amount corresponding said displacement - Power characteristic is shifted such that a force is extra required with the same displacement, and maximum force required from the first stable state to move to the second stable state, the first stable state from said second stable state A method in which the maximum value of the returning force is different from each other and the maximum value of the former force is defined as being greater than the maximum value of the latter force. 請求項２に記載の双安定微小電子機械システムに基づくシステムを含む微小電子機械システムに基づくシステムであって、
光学式入出力部、電子式入出力部、または流体入出力部である入出力部を備え、
前記可動素子は、前記複数の梁のそれぞれの前記第１安定状態と前記第２安定状態の間の移動に従って、第１位置と第２位置の間を移動して、前記入出力部の間を繋ぐことを特徴とするシステム。A system based on a microelectromechanical system including a system based on a bistable microelectromechanical system according to claim 2 comprising :
It has an input / output unit that is an optical input / output unit, an electronic input / output unit, or a fluid input / output unit,
The movable element moves between the first position and the second position according to the movement of the plurality of beams between the first stable state and the second stable state, and between the input / output units. A system characterized by connecting .
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